在熔体的表面上达成持续的非等向性晶体成长的方法

在熔体的表面上达成持续的非等向性晶体成长的方法
【专利摘要】一种自熔体上水平带材生长的方法，包括在熔体的表面上利用辐射冷却形成带材的前侧边缘；沿着熔体的表面在第一方向上拉起带材；以及在邻近带材的前侧边缘的区域中以热移离速率来移除自熔体辐射的热，所述热大于流经熔体至带材内的热。
【专利说明】在熔体的表面上达成持续的非等向性晶体成长的方法
[0001] 陈述如联邦政府资助的研究或发展
[0002] 美国政府具有在本发明中已付的许可以及在所限范围的权利，以要求专利权人依 据美国能源部给予的合约号DE-EE0000595提供合理的项目许可给其他人。

【技术领域】
[0003] 本发明属于一种制作基板的领域，尤其是涉及一种自熔体表面上的带材移除热的 系统、方法与结构。

【背景技术】
[0004] 硅晶片或板材可用于例如集成电路或太阳能电池行业中。随着对再生能源的需求 提高，对太阳能电池的需求也持续提高。随着这些需求提高，太阳能电池行业的一个目标为 降低成本/功率比。存在两种类型的太阳能电池：娃（silicon)与薄膜（thin film)。大部 分太阳能电池是利用硅晶片（诸如单晶硅晶片）制得。目前，晶态硅太阳能电池的主要成 本在于制造太阳能电池可用的晶片。太阳能电池的效率或在标准照明下所产生的功率量部 分地受到所述晶片的质量限制。在不降低质量的情况下，晶片制造成本的任何降低均将降 低成本/功率比，且能够使清洁能源技术得到更广泛的使用。
[0005] 最高效率硅太阳能电池可具有大于20%的效率。这些太阳能电池是使用电子级单 晶娃晶片制造。所述晶片可藉由将使用柴氏拉晶法（Czochralski method)生长的单晶娃 圆柱形晶块切割成薄片来制造。这些薄片的厚度可小于200 μ m。随着太阳能电池变薄，每 次切割的娃废料百分比提高。然而，切锭技术（ingot slicing technology)本身的限制可 能阻碍获得较薄太阳能电池的能力。
[0006] 制作用于太阳能电池的晶片的另一种方法为从熔体垂直拉起薄硅带，接着使拉起 的硅冷却且固化成薄片。所述方法的拉取速率可能限于小于约18_/分钟。在硅冷却及固 化期间所移离的热必须沿垂直硅带移离。由此沿硅带产生较大温度梯度。所述温度梯度对 晶态硅带产生应力，且会产生不良质量的多晶粒硅。硅带的宽度及厚度亦可能因所述温度 梯度而受限制。
[0007] 藉由分离熔体垂直制作板材（或硅带）相较于硅晶切锭更为便宜。早期尝试水平 带材生长（horizontal ribbon growth, HRG)需要通过使用氦气（helium)对流气体冷却， 以达到拉起带材所需的连续表面生长。这些早期尝试的方法尚未达到制作可靠且快速地拉 宽带材为均匀厚度的目标（即生产价值）。鉴于上述，可以理解需要一种改良的装置及方 法，以从熔体制作水平成长的硅板材。


【发明内容】

[0008] 将于下面以简化形式描述本
【发明内容】
的概念选择，并于详细描述中作更进一步的 描述。本
【发明内容】
并不意在识别所主张的目标物的关键特征或基本特征，也不是在协助确 定所主张的目标物的范围。
[0009] 在一实施例中，自熔体水平带材生长的方法包括利用辐射冷却熔体的表面，以形 成带材的前侧边缘。此方法亦包括于第一方向沿着熔体的表面拉前侧边缘，以及以热移离 速率移离自熔体辐射的热，所述热大于流经熔体至带材内的热。
[0010] 在另一实施例中，自熔体形成第一材料带材的方法包括提供结晶种子于熔体中。 此方法还包括提供流经熔体的热qy"，热qy"超出熔体的结晶过程中溶质分离造成的组成 不稳定区间（constitutional instability regime);设定邻近烙体的表面的一低温板材 的温度T。低于第一材料的烙化温度Tm，以致于来自烙体的表面的福射热流q" 大于 流经熔体的热流qy";以及沿着垂直于低温板材的长轴的路径拉结晶种子。

【专利附图】

【附图说明】
[0011] 图1显示一种水平带材成长的情况。
[0012] 图2呈现一种不同热流条件计算的硅生长行为的图形化描述。
[0013] 图3显示一种符合本实施例进一步详述由熔体生长硅的生长区间的图示。
[0014] 图4显示一种晶态硅种子位于硅熔体的表面区域的情况。
[0015] 图5概略显示一种硅生长的情况。
[0016] 图6显示一种符合本实施例的硅种子启动各向异性晶体生长的概略示意图。
[0017] 图7a与图7b显示一种模拟硅生长的示意图，其中低温板材配置在硅熔体上。
[0018] 图8a与图8b显不进一步仿真娃生长的不意图。
[0019] 图9a至9d显示一种符合本实施例的用于控制硅带宽度的流程。

【具体实施方式】
[0020] 本发明将以显示较佳实施例的图示作为参考来作充分介绍。然而，此发明可以采 用不同形式实施，但本发明不应该被限制在本文所列的实施例。相反地，这些实施例将会充 分且完整地阐述本发明的范围给本领域中具有通常技术的人。在图标中，相同的组件将会 在整个说明书中以相同的标号加以说明。
[0021] 为了解决上述方法的不足之处，本实施例提出一种创新且新颖的晶体材料（且特 别是一种单晶材料（monocrystalline material))水平烙体生长技术与系统。在多个实施 例中，揭示了藉由水平熔体生长以形成单晶硅的板材的方法。然而，在其他实施例中，本文 中所述的方法可应用于例如锗（germanium, Ge)以及娃合金的水平烙体生长。
[0022] 本发明所揭示的方法针对形成长型单晶板材，此长型单晶板材藉由于一般水平方 向拉取而从熔体提取出来。此种方法是关于硅或硅合金的薄单晶板材沿着熔体的表面区域 拉取的水平带材生长（horizontal ribbon growth, HRG)方法。带材形状可以通过延展拉 取方式而获得，以致于带材的长度方向与拉取方向对齐。
[0023] 在此之前，HRG的发展致力于包括利用辐射冷却以形成硅晶板材。值得注意的是， 在熔化温度为1412°C时，固体硅的发射率（emissivity) ε s约是液体硅ε i的三倍。在此 方式下，将优先从固态移离热而不是液态，其形成稳定的结晶化的必要条件。
[0024] 然而，介于固体硅和液体硅之间的巨大发射率差值ε s_ ε i亦导致很难达到熔体 表面的快速凝固。因此，迄今尚未开发藉由水平熔体生长以形成单晶硅板材的实用方法。在 本实施例中，第一次提出一些方法，其中对于从熔体水平提取固体硅（例如HRG处理）可达 成稳定晶体生长和快速生长的条件。
[0025] 特别是，本实施例提供调整跨过介于硅晶体的缓慢稳定各向同性生长条件以及沿 熔体表面的高度各向异性生长条件之间的转变的过程范围中的过程条件的能力，其中需要 沿熔体表面的高度各向异性生长条件以获得持续地拉取结晶板材。本发明人也已经确认这 种转变取决于流入（经过）熔体的热（稳定的晶体生长所必需）与热移离之间的平衡，其 可藉由辐射传热至配置靠近于熔体表面的低温材料而发生。
[0026] 可以理解的是，稳定的晶体生长需要充足的热流经熔体，以克服任何由可能发生 于冷却过程中的溶质分离（segregation of solutes)所造成的组成不稳定（constitution instability)。此种条件可通过关于沿一个方向y流经烙体的给定的热的温度梯度dT/dy 来表示：
[0027]

【权利要求】
1. 一种自熔体水平带材生长的方法，包括： 于熔体的表面利用辐射冷却形成带材的前侧边缘； 于第一方向沿着所述熔体的表面拉起所述带材；以及 在邻近所述带材的所述前侧边缘的区域中以热移离速率来移除自所述熔体辐射的热， 所述热大于流经所述熔体至所述带材内的热。
2. 根据权利要求1所述的自熔体水平带材生长的方法，还包括提供流经所述熔体的 热，其中所述热超出所述熔体的结晶过程中溶质分离的组成不稳定区间的热。
3. 根据权利要求1所述的自熔体水平带材生长的方法,其中流经所述熔体的热大于 0. 6W/cm2。
4. 根据权利要求1所述的自熔体水平带材生长的方法，其中于所述熔体中的第一区域 形成所述带材的所述前侧边缘，且所述带材具有沿着第二方向的第一宽度，而所述第二方 向垂直于所述第一方向，且还包括： 于所述熔体的所述第一区域与第二区域之间沿着所述第一方向拉起所述带材；以及 于所述第二区域中利用辐射冷却生长所述带材至在所述第二方向中的第二宽度，其中 所述第二宽度大于所述第一宽度。
5. 根据权利要求1所述的自熔体水平带材生长的方法，其中所述熔体包括硅、硅合金 和掺杂娃中的一个。
6. -种自熔体形成第一材料的带材的方法，包括： 提供结晶种子于熔体中； 提供流经所述熔体的热qy"，所述热qy"超出所述熔体的结晶过程中溶质分离的组成 不稳定区间的热； 设定邻近于所述熔体的表面的低温区域的温度T。低于第一材料的熔化温度Tm，以致于 流自所述熔体的表面的辐射热q" 大于所述热qy";以及 沿着一路径从所述低温区域拉起所述结晶种子。
7. 根据权利要求6所述的自熔体形成第一材料的带材的方法，其中所述热qy"沿着从 所述熔体的底部至所述熔体的表面的方向dT/dx引起温度梯度，使得
其中C为在所述熔体中的溶质浓度，D为在所述熔体中的溶质扩散速率，k为分离系数， m为液相线的斜率以及v为生长速率。
8. 根据权利要求6所述的自熔体形成第一材料的带材的方法，其中所述第一材料为 娃、娃合金和掺杂娃中的一个。
9. 根据权利要求6所述的自熔体形成第一材料的带材的方法，其中所述结晶种子的发 射率约为〇. 6,而所述熔体的发射率约为0. 2。
10. 根据权利要求6所述的自熔体形成第一材料的带材的方法，其中所述热qy"为 0· 6W/cm2 或 0· 6W/cm2 以上。
11. 根据权利要求6所述的自熔体形成第一材料的带材的方法，包括： 设定所述温度T。大于50°C且低于所述熔化温度Tm;以及 设定所述熔体的底部的温度大于所述熔化温度Tm rc至:rc之间。
12. 根据权利要求6所述的自熔体形成第一材料的带材的方法，包括： 沿着所述路径且邻近所述熔体的所述表面提供第二低温区域，所述第二低温区域具有 低于所述熔化温度Tm的第二温度，以致于所述辐射热q" 大于所述热q y";以及 单独地扩展所述第二低温区域的宽度。
13. 根据权利要求12所述的自熔体形成第一材料的带材的方法，其中所述第二温度 等于所述温度Τ。。
14. 一种自熔体水平带材生长的方法，包括： 在第一区域中于熔体的表面利用辐射冷却形成带材的前侧边缘，其中所述带材沿着第 二方向具有第一宽度； 在第一方向中沿着所述熔体的表面拉起所述带材，其中所述第一方向与所述第二方向 垂直； 在邻近所述带材的所述前侧边缘的区域中以热移离速率来移除自所述熔体辐射的热， 所述热大于流经所述熔体至所述带材内的热； 沿着所述第一方向传送所述带材至所述熔体的第二区域；以及 在所述第二区域中利用辐射冷却以于所述第二方向中生长所述带材至第二宽度，其中 所述第二宽度大于所述第一宽度。
15. 根据权利要求14所述的自熔体水平带材生长的方法，其中所述熔体为硅、硅合金 和掺杂娃中的一个。
16. 根据权利要求14所述的自熔体水平带材生长的方法，还包括提供流经所述熔体的 热，其中所述热超出所述熔体的结晶过程中溶质分离的组成不稳定区间的热。
【文档编号】C03B15/14GK104159855SQ201280071159
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2012年12月12日 优先权日:2012年2月17日
【发明者】彼得·L·凯乐门, 孙大为, 布莱恩·H·梅克英特许 申请人:瓦里安半导体设备公司